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磁共振成像的物理基础
磁共振成像（MRI）的物理基础是核磁共振现象。
核磁共振是指原子核在外磁场作用下，发生能级跃迁，吸收能量后重新发射出电磁波的过程。
MRI利用了氢原子核（H）在外磁场中的自旋和轨道运动所产生的磁矩。
氢原子核的磁矩在外磁场中会发生取向和排列，当外磁场的强度和方向发生变化时，氢原子核的磁矩也会发生旋转，产生磁化强度。
当外磁场消失时，氢原子核的磁化强度会逐渐减弱，直到恢复到原来的状态。
MRI通过在人体内部放置强磁场和射频脉冲，激发人体内的氢原子核，使其吸收能量，然后再通过射频脉冲的反向信号检测氢原子核的位置和数量，进而生成人体内部的图像。
MRI成像的分辨率高，可以检测出人体内部的微小结构和异常情况，广泛应用于医学诊断和研究领域。
磁共振成像的物理学基础1.1概述1.1.1磁共振成像的起源及定义磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是利用射频（radio frequency，RF）电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR），用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而建立的一种数字图像。
1946年美国加州斯坦福大学Bloch和哈佛大学的Purcell教授同时发现了核磁共振现象，由于这一发现在物理、化学、生物化学、医学上具有重大意义。
此两人于1952年获得诺贝尔物理奖。
1946～1972年NMR主要用于有机化合物的分子结构分析，即磁共振波谱分析（magnetic resonance spectroscopy，MRS）。
1971年美国纽约州立大学的达曼迪恩Damadian 教授在《科学》杂志上发表了题为“NMR信号可检测疾病”和“癌组织中氢的T1、T2时间延长”等论文。
1973年美国人Lauterbur用反投影法完成了MRI的实验室的模拟成像工作。
1978年英国第一台头部MRI设备投入临床使用，1980年全身的MRI研制成功。
1.1.2磁共振成像特点及其局限性1.1.2.1磁共振影像的特点·多参数成像，可提供丰富的诊断信息；·高对比成像，可得出祥尽的解剖图谱；·任意层面断层，可以从三维空间上观察人体成为现实；·人体能量代谢研究，有可能直接观察细胞活动的生化蓝图；·不使用对比剂，可观察心脏和血管结构；·无电离辐射，一定条件下可进行介入MRI治疗；·无气体和骨伪影的干扰，后颅凹病变等清晰可见。
1.1.2.2磁共振成像的局限性·呈像速度慢；·对钙化灶和骨皮质症不够敏感；·图像易受多种伪影影响；·禁忌证多；·定量诊断困难。
磁共振成像（MRI）知识讲座引言我们将磁共振成像（MRI）的基本知识向大家略做介绍，希望能有所帮助。
第一章磁共振成像（MRI）基础知识一、磁共振成像（MRI）基本原理1、人体组织的化学特性人体内最多的分子是水，约占人体重量的65%，其次为脂肪成份。
此外，还有大量有机分子，如蛋白质、酶、磷酯等。
这些物质中都含有大量的氢原子。
因此，氢原子是人体中含量最多的原子。
2、磁共振成像（MRI）原理目前的磁共振成像是氢原子的成像，实际上是脂肪和水为主的软组组成像，或者说磁共振成像（MRI）是利用身体细胞中的氢原子在磁场内共振产生信号，通过精密的电脑系统重建而获得高清晰的影像，以达到诊断目的的一种技术。
二、磁共振成像（MRI）技术的发展概况1、1977年：初期MRI全身图像产生；2、1980年：首台商品磁共振成像系统问世；3、1981年：首台超导全身磁共振成像系统建立；4、1983年：获准进入市场；5、1989年：我国0.15T永磁型磁共振成像系统（ASM-015P）问世；6、1992年：我国0.60T超导型磁共振成像系统（ASM-060S）问世；7、1999年：我国0.35T永磁型磁共振成像系统（NOVUS系列）开发成功；8、2000年：我国1.5T超导型磁共振成像系统（NOVUS系列）开发成功；9、目前： 3.0T超导磁共振应用于临床；10、目前：7.0T、10.0T磁共振进入临床前研究；三、磁共振成像（MRI）的一些基本概念1. 什么是Tesla?Tesla（T）是一个磁场强度单位，中文译为特斯拉，一单位T等于10000Gause，Gause中文译为高斯，地球的自然磁场强度为0.3~0.7Gs，南北极有所不同。
2. 什么是共振？共振是一种自然界普遍存在的物理现象，物质是永恒运动着的，物体的运动在重力作用下将会有自身的运动频率。
当某一外力作用在某一物体上时，而且有固定的频率，如果这个频率恰好与物体自身运动频率相同，物体将不断吸收外力，转变为自身运动的能量，随时间的积累，能量不断被吸收，最终导致物体的颠覆而失去共振状态。
第二章(物理学原理)第1-4节(物质基础-核磁弛豫)地球表面带有电荷并自旋-------形成电流环路------产生感应磁场（地磁）。
磁性原子核特性：以一定的频率自旋，由于表面带有正电荷，即形成电流回路，从而产生磁化矢量。
我们把这种带有正电荷的磁性原子核自旋产生的磁场称为（核磁）。
但并非所有原子核均能自旋而产生核磁，即并非所有的原子核都为磁性原子核，条件就是中子数和质子数至少有一项是奇数。
一般指的磁共振图像即为1H的磁共振图像。
原因是氢质子1、在人体中的摩尔浓度最高，是人体中最多的原子核；2、磁化率最高；3、存在于各种组织中，具有生物代表性。
但并非所有的氢质子都能产生MRI信号。
常规MRI的信号主要来源于水分子中的氢质子（简称水质子），部分组织的信号也可来源于脂肪中的氢质子（简称脂质子）。
人体中的水分子可以分为自由水和结合水。
所谓结合水是指蛋白质大分子周围水化层中的水分子，这些水分子粘附于蛋白质大分子部分基团上，与蛋白质大分子不同程度的结合在一起，因此被称为结合水，其自由运动将受到限制。
自由水和结合水在人体组织中可以互换，处于动态平衡。
由于化学位移效应，不同分子中的氢质子进动频率存在差别，蛋白质大分子中氢质子的进动频率大多偏离MRI的中心频率（自由水的进动频率），一般情况下不能被射频脉冲激发，因此不能产生信号。
由于自由运动受到限制，蛋白质和结合水的T2值都很短，一般<1ms，常规MRI采集回波信号至少需要数毫秒，还没有来得及采集回波信号，蛋白质和结合水的信号已经全部衰减。
因此即便蛋白质和结合水中的氢质子被射频脉冲激发，也不能产生 MRI信号。
因此，对于不含脂肪的组织，其MRI信号的直接来源就是自由水；结合水和蛋白质都不能直接产生信号，但结合水和蛋白质可以影响自由水的弛豫，也可通过磁化传递效应，最后也会影响到组织的信号强度。
进入主磁场后处于低能级的氢质子仅比处于高能级的氢质子多出数个ppm（百万分之一），而磁共振成像利用的就是多出来的这少部分氢质子，因此实际上磁共振信号是非常弱的。
第一章磁共振成像的物理学基础第一节磁共振现象一．共振共振是十分普遍的自然现象，最熟悉的就是音叉的共振。
有的共振可以利用，如咱们熟悉的医用磁共振仪，利用氢质子的共振经过一系列的复杂过程形成图像；而有的则要避免，如最常见的桥梁，风速与桥梁固有频率发生共振引起了坍塌。
图1.1.1 桥梁共振发生坍塌风速与桥梁的固有频率相同，引发了共振，导致桥梁坍塌。
二．地球运动与氢质子运动地球在万有引力的作用下，既围绕着太阳公转，又围绕着自身的轴自转。
公转一圈是一年，自转一圈是一天，自转产生南北极磁场。
图1.1.2 地球绕地轴自转，围绕太阳公转，自转形成磁场，公转是自身引力与太阳引力作用的共同结果地球以一定的时间来自转和公转，形成磁场；氢质子则是以一定的频率自旋和进动。
图1.1.3 氢质子绕一定的轴旋转称为自旋，并产生小磁场，此小磁场与主磁场相互作用，使氢质子产生进动。
自旋（spin），磁性原子核总是以一定的频率绕着自己的轴进行高速旋转，由于原子核表面带有正电荷，因此磁性原子核自旋就能够形成电流环路，从而形成一定大小的磁场，该磁场用磁距来表述，磁距有长度（强度）、方位及方向。
进动(precession)，是磁性原子核自旋产生的小磁场与主磁场相互作用的结果，进动频率也称Larmor频率，其计算公式如下：ω=γ*B0;ω：进动频率即Larmor频率;γ：磁旋比，42.5MHz/T;B0:主磁场场强。
通过上式可以看出，氢质子进动频率与主磁场场强成正比，场强高，则进动频率快，场强低，则进动频率慢。
从另一个方面考虑，场强不均匀，则质子的进动频率会出现差别。
今天主要重点是自旋与进动的概念及理解，并涉及了“磁距”及“拉莫尔定律”，二者是非常重要的知识点，贯穿于整个MR学习中。
第1章磁共振成像物理学基础模拟题11.下面哪个是“磁共振成像”正确的英文表达A．Magnetic Resonance ImageB．Magnetic Resonance ImagineC．Magnetic Resonance ImaginationD．Magnetic Resonance ImagingE．Magnetic Resonance Imagism2.下面哪个观点是正确的A.利用音频电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，产生核磁共振B.利用射频电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，产生核磁共振C.利用音频电磁波对置于磁场中的含有自旋为零的原子核的物质进行激发，产生核磁共振D.利用射频电磁波对置于磁场中的含有自旋为零的原子核的物质进行激发，产生核磁共振E.利用射频电磁波对置于磁场中的不含有自旋为零的原子核的物质进行激发，产生核磁共振3. 哪一年发现磁共振现象A.1940年B.1946年C.1947年D.1952年E.1971年4. 哪一年由谁发现磁共振现象A.1940年由Ambrose和Purcell教授B.1942年由Bloch和Damadian教授C.1944年由Damadian和Lauterbur教授D.1946年由Bloch和Purcell教授E.1952年由Macleod和Hounsfield教授5.磁共振设备使用什么线圈采集磁共振信号A.感应线圈B.正交线圈C.体线圈D.相控阵线圈E.发射线圈6.1973年Lauterbu用何方法完成了MRI模拟成像工作A.迭代法B.投影法C.内插法D.表面阴影显示法E.反投影法答案：E7.世界上第一台头部MRI设备是哪一年在哪国投入临床使用A.1971年英国B.1973年美国C.1978年英国D.1980年德国E.1981年美国8.哪年全身的MRI研制成功A.1971年B.1973年C.1978年D.1980年E.1981年9.哪些不是磁共振成像的特点A.多参数成像，可提供丰富的诊断信息；B.任意层面断层，可以从三维空间上观察人体成为现实C.无电离辐射，一定条件下可进行介入MRI治疗D.使用造影剂，可观察心脏和血管结构E.无气体和骨伪影的干扰，后颅凹病变等清晰可见10.不完全是磁共振成像的特点的是A.高对比成像，可得出祥尽的解剖图谱B.人体能量代谢研究，有可能直接观察细胞活动的生化蓝图C.无电离辐射，一定条件下可进行介入MRI治疗D.没有气体和骨伪影的干扰，后颅凹病变观察满意E.可任意层面重建，可以从三维空间上观察人体成为现实11.反映原子结构错误的有A.原子由原子核和绕核运动的电子组成B.电子有质量C.原子核位于原子中心，由质子和中子组成D.质子决定该原子的化学特性E.原子核决定原子的物理特性12.原子核中一个质子的角动量约为A.1.41×10-26 TeslaB. 1.41×10-2 TeslaC. 1.41×10-10 TeslaD. 2.37×10-2 TeslaE. 1.52×10-6 Tesla13.人体内含量最多的原子A.氢-1B.碳-13C.氧-17D.钠-23E.磷-3114.人体内那些原子不可以用来磁共振成像A.氢-1B.碳-13C.氧-17D.钠-23E.磷-3115.根据电磁原理，质子自旋产生的角动量的空间方向总是A.在随机变化,角度不定B.与自旋的平面垂直C.与自旋的平面平行D.与自旋的平面成30°的夹角E.与自旋的平面成120°的夹角16.下面关于原子核特性哪个描述是错误的A.原子核中质子围绕着一个轴做自旋运动B.质子自旋产生角动量C.角动量的总和产生磁距D.在B0作用下，原子核在自旋的同时还在围绕B0旋转E.含有磁性原于核的物质放置于均匀磁场中，微观的磁矩会在自旋－晶格弛豫时间发生改变。
17.关于磁距的描述错误的是A.氢核（质子）具有最强的磁距B.磁距是一个矢量和C.磁距是一个动态形成过程D.人体置于强磁场中，质子总的磁距围绕B0旋转的角度也相对恒定E.外加磁场的大小决定着磁距与B0轴角度18.拉莫频率又称为A.进动频率B.自旋频率C.磁矩值D.法拉第频率E.采样频率19.不属于磁共振产生条件的有A.有外力反复作用B.外力作用有固定频率C.外力频率和物体自身运动频率相同D.物体吸收外力能量E.不能转变为自身的能量20.原子核在外加RF(B1)作用下产生共振后A.磁距旋进的角度变大，实际上偏离B0轴的角度加大了，原子核处在了较高的能态中B.磁距旋进的角度变小，实际上偏离B0轴的角度加大了，原子核处在了较高的能态中C.磁距旋进的角度变大，实际上偏离B0轴的角度减小了，原子核处在了较高的能态中D.磁距旋进的角度变大，实际上偏离B0轴的角度加大了，原子核处在了较低的能态中E.磁距旋进的角度变小，实际上偏离B0轴的角度加大了，原子核处在了较低的能态中21.在磁共振中我们通常将哪一个方向的空间中线轴线定义为纵轴A.平行于B0方向B.垂直于B0方向C.平行于B1方向D.垂直于B1方向E.和B0方向呈45º夹角22.在外加的B1作用下，B0将发生偏离纵轴的改变，此时A.B1作用时间越长横向弛豫越短B.B1作用时间越长横向弛豫越长C. B0方向上的磁距将增加D.B1作用时间越长纵向弛豫越短E.B1作用时间越短纵向弛豫越长23.在外加的B1作用下，B0将发生偏离纵轴的改变，此时A.B1作用时间越长横向弛豫越短B.B1作用时间越长横向弛豫越长C. B0方向上的磁距将增加D.B1作用时间越长纵向弛豫越短E.B1作用时间越长纵向弛豫时间为零24.关于T1值正确的说法是A.横向磁距减至最大时的37%时所要时间B.横向磁距减至最大时的63%时所要时间C.纵向磁距减到到原来的63%时所需时间D.纵向磁距恢复到原来的63%时要的时间E.纵向磁距恢复到原来的37%时所需要的时间25.关于T2值正确的说法是A.纵向磁距减到到原来的63%时所需时间B.纵向磁距恢复到原来的63%时所需时间C.纵向磁距恢复到原来的37%时所需时间D.横向磁距减至最大时的63%时所需时间E.横向磁距减至最大时的37%时所需时间26.关于MR信号的说法中哪个是错误的A.磁共振图像是MR信号通过计算机处理得到的B.MR信号具有一定的频率、强度C. MR信号是通过电磁波经过转化得到的D. MR信号是通过接收线圈接收的E. 接收线圈接收到的MR信号是数字信号27.磁共振成像过程中组织经过B1激发后吸收的能量，将通过发射与激发RF 频率相同的电磁波来实现能量释放，这个电磁波称之为A. Larmor频率B.脉冲频率C.发射脉冲D.回波E.梯度脉冲28.磁共振成像过程中组织受射频激励后，当RF停止后A. 产生垂直于B0的横向磁化矢量B. 产生垂直于B0的纵向磁化矢量C. 产生感应电流D. 产生平行于B0的纵向磁化矢量E. 产生平行于B0的横向磁化矢量29.根据法拉第定律MR接收线圈产生的感应电流的特点是A.感应电流的大小和横向磁化矢量成反比B.感应电流随时间周期的增加而增加的振荡电流C.感应电流又称之为自由感应增益D.感应电流的幅度呈线性变化E.感应电流的幅度呈指数变化30.关于MR接收线圈产生的感应电流的特点描述中正确的是A. 感应电流随时间周期的增加而增加的振荡电流B. 感应电流的大小和横向磁化矢量成正比C. 感应电流的幅度呈线性降低变化D. 感应电流的振幅随时间周期而增大E. 感应电流的幅度呈指数性升高变化31.自由感应衰减是A. FIDB. MTFC. FLAD. MEDICE. MTC32.自感应衰减信号描述的是A.信号频率与幅度的对应关系B.信号瞬间幅度与时间的对应关系C.信号瞬间频率与幅度的对应关系D.信号幅度和回波的对应关系E.信号频率和回波的对应关系33.由于不同物质的自由感应衰减过程不相同，所得到的叠加信号也不是一个简单的指数衰减曲线，因此，就需要振幅随时间变化的函数变成振幅随频率分布变化的函数。
这就需要A. 通过“反投影法”来实现B. 通过“迭代法”来实现C.通过“半傅里叶变换”来实现D.通过“傅立叶变换”来实现E.通过“K空间”来实现34.不同组织在MRI的同一序列上存在着亮暗差别，这是由于FID信号受下面哪些因素的影响A.质子密度B.T1值C.T2值D.运动状态E.以上都是35.磁共振成像中采用不同脉冲组合序列及其相关的TR、TE值、翻转角等都是为了A.显示组织特性B.显示结构特性C.显示密度特性D.显示性质特性E.显示氢质子36.磁共振的空间定位是由A.B0决定的B.梯度磁场决定的C.射频脉冲决定的D.傅里叶变换决定的E.人体的空间定位决定的37.MRI和CT的不同之处A.不需要患者移动就可进行各方位扫描B.MRI的空间分辨率高C.MRI的信噪比高D.可以做更薄的层厚E.以上都是38.梯度磁场是由几个梯度场组成的A.一个B.两个E.五个39. 如果MR检查时需要得到一个横轴位图像是，需要选择那一个梯度磁场A. GzB. GxE. GXY40. 如果MR检查时需要得到一个矢状位图像是，需要选择那一个梯度磁场C. GyD. GXZE. GYZ41.如果MR检查时需要得到一个冠状位图像是，需要选择那一个梯度磁场A. GzC. GyD. GXZE. GXY42.关于MRI平面信号定位过程的描述，正确的是A.频率编码和成像时间有关B.频率编码决定上下空间位置C.相位编码和成像时间有关D.相位编码决定左右空间位置E.以上都不对43.关于K空间的说法错误的是A.K空间实际上是MR信号的定位空间B.在K空间中相位编码是上下、左右对称的C.K空间就是我们平时所说的三维空间D.K空间中心位置确定了最多数量的像素的信号E.在傅利叶转换过程中处于K空间周边位置的像素的作用要小很多44.MR成像中为节约时间采用K空间零填充技术是因为A. K空间中心位置确定了最多数量的像素的信号B. K空间周边位置的像素的作用要小很多C.周边区域的K空间全部作零处理，不化时间去采集D.处于K空间中心区域的各个数值对图像重建所起的作用要比周边区域的更大E.以上都对45．填充K空间周边区域的MR信号（K空间线）主要决定图像的A．图像的细节B．图像的边缘C．图像的轮廓D．图像的对比E．图像的信噪比46.关于傅里叶变换法的说法错误的是A. 傅里叶变换法是将频率函数变成时间函数的方法B. 傅里叶变换法可将K空间的信息填补到真正的空间位置上C. 二维傅里叶变换可分为频率和相位两个部分D. 二维傅里叶变换法是MRI最常用的图像重建方法E. 二维傅里叶变换法是MRI特有的图像重建方法。
